Le dioxyde de carbone ou CO2 peut potentiellement être utilisé comme matière première pour être converti en « carburants solaires » neutres en carbone qui stockent l’énergie du soleil. Mais pour qu’elles soient compétitives avec les énergies fossiles, la réaction chimique qui effectue cette conversion a besoin de catalyseurs beaucoup plus performants. Les chercheurs ont récemment mis au point une structure de photocatalyseur impliquant des atomes de cuivre isolés dans une structure polymère qui améliore radicalement les performances du catalyseur.
Une description du nouveau catalyseur a été publiée dans la revue Nano-recherche.
Il existe un certain nombre de secteurs, tels que le transport maritime long-courrier et l’aviation, qui sont difficiles à électrifier. Par conséquent, dans la lutte pour atténuer le changement climatique, une certaine forme de carburant neutre en carbone devra être développée. Pendant ce temps, l’énergie solaire peut être à faible émission de carbone, mais elle dépend des conditions météorologiques. Parfois, il n’y a pas assez d’électricité produite et parfois trop.
Une solution élégante qui pourrait améliorer les deux problèmes est la conversion de l’énergie solaire en combustibles synthétiques. En puisant dans le CO2 atmosphérique et en l’utilisant comme matière première combinée à l’hydrogène produit par la séparation des molécules d’eau, des versions neutres en carbone des hydrocarbures peuvent être produites dans une usine. Cela stocke en effet l’énergie solaire pour une utilisation ultérieure lorsque le soleil ne brille pas ou comme combustible propre qui fonctionne dans les secteurs difficiles à électrifier (et au-delà).
Cependant, l’un des grands défis auxquels est confrontée cette vision du solaire aux carburants qui imite la façon dont les plantes transforment la lumière du soleil en énergie, est d’augmenter suffisamment l’efficacité des réactions chimiques impliquées pour rendre le coût du produit final compétitif par rapport aux combustibles fossiles sales.
La clé pour atteindre de telles efficacités est de produire de meilleurs catalyseurs, des substances qui accélèrent la réaction chimique. L’objectif principal a été de maximiser la concentration des sites sur les molécules de catalyseur où une réaction peut avoir lieu pour améliorer l’efficacité tout en réduisant les déchets.
Au cours de la dernière décennie, la communauté de recherche sur les catalyseurs s’est de plus en plus tournée vers les catalyseurs à un seul atome (SAC) dans le but de donner un coup de pouce majeur à toutes sortes de processus industriels, et pas seulement à la photocatalyse nécessaire à la conversion du solaire aux carburants. . Les SAC sont des catalyseurs où tous les atomes métalliques impliqués dans la réaction existent sous forme d’atomes isolés dispersés sur une structure de support solide. Ces atomes métalliques simples sont également généralement chargés positivement. Grâce à cette structure géométrique et électronique inhabituelle, les SAC peuvent radicalement améliorer l’efficacité de la catalyse.
Le domaine de la recherche et du développement SAC a explosé ces dernières années grâce en grande partie à l’arrivée de méthodes avancées d’imagerie et de spectroscopie à rayons X. Celles-ci ont permis aux chimistes de produire des images très détaillées des SAC en action, même au moment où la réaction a lieu, ce qui leur permet de mieux comprendre ce qui se passe et de tester de nouvelles hypothèses. Parallèlement à cela, les techniques modernes de synthèse chimique ont permis la construction de SAC très finement adaptés à un processus souhaité.
« De nombreux SAC différents pour d’autres réactions chimiques ont été développés ces dernières années, offrant une révolution dans les performances catalytiques », a déclaré Jiangwei Zhang, co-auteur de l’article et physicien chimiste au Centre de recherche sur le génie chimique avancé et les matériaux énergétiques du China University of Petroleum à Qingdao, « et maintenant c’était au tour des photocatalyseurs pour la production de carburant solaire ».
Les chercheurs ont construit un SAC avec une structure covalente à base de triazine (CTF) qui ancre des atomes de cuivre uniques. Les CTF sont une classe relativement nouvelle de polymères (chaînes de très grosses molécules) dont il a déjà été démontré qu’ils améliorent les performances de séparation photocatalytique de l’eau. En combinant des CTF avec des atomes de cuivre simples, les chimistes visaient à fournir une structure hautement poreuse (pour augmenter le nombre de sites disponibles où la réaction chimique pertinente peut avoir lieu) et à fournir une efficacité atomique maximale. Ils appellent cette formulation Cu-SA/CTF.
Ils ont pu visualiser les atomes de Cu uniques par des images de microscopie électronique à transmission à balayage à champ noir annulaire à angle élevé (HAADF-STEM). Et la structure des sites où se produisent les réactions a été révélée par des analyses EXAFS (Extended X-Ray Absorption Fine Structure).
Grâce à ces informations, les chercheurs ont ensuite pu tester les performances des photocatalyseurs Cu-SA/CTF et étudier ce qui se passait au niveau atomique. Ils ont découvert que l’ajout d’atomes de cuivre simples à la structure avait doté les catalyseurs d’une capacité accrue à adsorber le CO2 (coller le CO2 à lui-même pour effectuer la réaction chimique) et renforcé la réponse à la lumière visible entraînant le processus, comme ainsi qu’un certain nombre d’autres améliorations. Ensemble, cela a permis d’améliorer considérablement la conversion du CO2 et de l’eau en méthane.
En conséquence, les chercheurs ont pu développer des lignes directrices pour concevoir à l’échelle atomique d’autres photocatalyseurs robustes pour la conversion du CO2 en d’autres substances utiles.
Guocheng Huang et al, Confinement spatial d’atomes simples de cuivre dans des cadres covalents à base de triazine pour une réduction photocatalytique hautement efficace et sélective du CO2, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-4629-3
Fourni par Tsinghua University Press